Un processore quantistico IBM da 156 qubit è riuscito a eseguire quasi 5.000 operazioni e altrettanti controlli e ripristini: quando questi ultimi superavano la metà delle operazioni complessive, il sistema recuperava l’ordine. Il risultato, ottenuto da un gruppo di ricercatori statunitensi e pubblicato su Nature Physics, mostra come i circuiti di retroazione — sistemi che misurano lo stato dei qubit e intervengono per correggerlo — possano contribuire alla correzione degli errori in tempo reale.
«Per realizzare un computer quantistico tollerante ai guasti, dobbiamo effettuare questi controlli e queste correzioni non una o due volte, ma un numero enorme di volte durante un calcolo», afferma il fisico Jedediah Pixley della Rutgers University. «Questo esperimento è una tappa fondamentale lungo il percorso. Dimostra che abbiamo compiuto un altro passo importante per arrivarci».
I computer tradizionali elaborano informazioni usando bit, che valgono 0 oppure 1. I computer quantistici impiegano invece i qubit, che possono trovarsi in una sovrapposizione di 0 e 1 e assumere, prima della misurazione, una combinazione di entrambi i valori. Questa proprietà è alla base delle potenzialità di calcolo quantistico. I qubit, però, sono molto fragili: calore, movimento e altre interferenze ambientali possono alterarne lo stato e introdurre errori. Per costruire computer quantistici affidabili, occorre quindi individuare e correggere questi errori mentre i calcoli sono in corso. Un tema approfondito anche nell’articolo sulla correzione degli errori nei computer quantistici.
IBM
Per mettere alla prova il metodo, il gruppo ha usato un processore IBM Quantum Heron da 156 qubit, collegandone fino a 100 contemporaneamente. Il sistema alternava due operazioni: la «rimescolazione», che diffonde il caos tra i qubit, e il controllo seguito dal ripristino, che interviene per riportarli a uno stato ordinato. I ricercatori hanno variato il rapporto tra le due attività e osservato che il sistema recuperava l’ordine quando controlli e ripristini costituivano più della metà delle operazioni.
«La sfida non consisteva semplicemente nel misurare un qubit, ma nel farlo ripetutamente mentre il resto del processore continuava a funzionare», spiega la fisica Maika Takita di IBM. «Questo esperimento dimostra che l’hardware attuale è in grado di coordinare operazioni quantistiche, misurazioni e ripristini migliaia di volte su un sistema di grandi dimensioni».
Aumentando il numero di qubit, il punto di svolta tra caos e ordine è apparso più netto. Secondo i ricercatori, questo andamento indica una transizione di fase, cioè un cambiamento collettivo del sistema, paragonabile al passaggio dell’acqua dallo stato liquido a quello solido. I dati, inoltre, concordavano con le previsioni teoriche.
«La corrispondenza tra l’esperimento e la teoria ha dimostrato che non si trattava di una caratteristica casuale di un piccolo circuito. Era un comportamento collettivo che emergeva nell’intero sistema quantistico», afferma il fisico Haining Pan dell’Università della Florida.
Il risultato non significa che i computer quantistici siano pronti per l’uso quotidiano. In futuro potrebbero essere impiegati per elaborazioni complesse, come simulare materiali, contribuire allo sviluppo di farmaci, migliorare le previsioni meteorologiche o supportare l’intelligenza artificiale. Ma per arrivare a computer quantistici tolleranti ai guasti, il sistema di controllo e ripristino dovrà essere esteso a un numero maggiore di qubit e adattato a regole più complesse. L’esperimento rappresenta una prova di stress per i circuiti di retroazione, mostrando che possono mantenere stabile e ordinato un sistema quantistico. La scalabilità e la tolleranza agli errori restano infatti tra le principali sfide per il futuro del calcolo quantistico.
«Un comportamento fuori controllo può essere ricondotto all’ordine intervenendo in modo casuale, e c’è una soglia ben definita oltre la quale questo accade», afferma il fisico Justin Wilson della Louisiana State University. «Non era scontato che questa transizione tra caos e controllo si verificasse anche nella fisica quantistica, ma i nostri risultati dimostrano che è così».
Fonte: sciencealert.com
